شبیه‌سازی حذف کل جامدات محلول از فاضلاب شهری در تالاب مصنوعی با جریان‌های زیرسطحی عمودی و افقی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی آب، گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، دانشگاه گیلان، رشت، ایران.

2 دانشیار، گروه مهندسی آب، دانشکده کشاورزی، و عضو وابسته پژوهشی گروه مهندسی آب و محیط زیست پژوهشکده حوضه آبی دریای خزر دانشگاه گیلان، رشت، ایران.

چکیده

افزایش روزافزون جمعیت و گسترش فعالیت‌های توسعه‌ای بدون توجه به مدیریت کمی و کیفی منابع آب در بیشـتر کشـورهای واقع در کمربند مناطق خشک منجر به تشدید بحران آب به‌ویژه در ایران شـده اسـت. فاضلاب یکی از انواع آب‌ها‌ی نامتعارف محسوب می‌شـود که در صـورت حـذف آلاینده‌ها و ناخالصی‌های آن، می‌تواند دوباره در چرخه مصـرف قرار گیرد. تالاب‌‌های مصنوعی در ترکیب با گیاه‌پالایی به‌عنوان راهکار سبز قابلیت بهبود و استفاده مجدد از فاضلاب را فراهم می‌آورد. در این پژوهش، در راستای توسعه ابزارهای طراحی و مدیریت تالاب‌های مصنوعی، شبیه‌سازی عملکرد سامانه تالاب مصنوعی زیرسطحی عمودی و افقی تحت کشت دو گیاه نی و تیفا در تصفیه فاضلاب شهر رشت توسط مدل HYDRUS-2D بررسی شد. پس از ساخت تالاب‌های زیرسطحی عمودی و افقی، گیاهان نی و تیفا کشت و طی دوره آذر 1399 تا شهریور 1400، اقدام به نمونه‌برداری و اندازه‌گیری کل جامدات محلول از فاضلاب خام و تصفیه‌شده توسط تالاب‌ها شد. ارزیابی دقت مدل در دو مرحله واسنجی و اعتبارسنجی با استفاده از شاخص‌های آماری انجام شد. مقادیر شاخص آماری ریشه میانگین مجذور خطای نرمال شده (NRMSE) در مرحله اعتبارسنجی در تالاب‌های عمودی بدون گیاه، تحت کشت نی و تحت کشت تیفا به ترتیب 5/6، 8/9 و 8/14 درصد و در تالاب‌های افقی به ترتیب 8/14، 4/6 و 17 درصد به دست آمد که در مقایسه با طبقه‌بندی جامینسون و همکاران نشان از دقت عالی (کمتر از 10 درصد) و خوب (بین 10 تا 20 درصد) مدل HYDRUS-2D در شبیه‌‌سازی کل جامدات محلول در تالاب‌های مصنوعی دارد. ازاین‌رو استفاده از مدل HYDRUS-2D برای برآورد کل جامدات محلول در تالاب مصنوعی توصیه می‌شود هرچند دقت شبیه‌سازی در تالاب عمودی بیشتر از تالاب افقی بود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


اخروی، سید سعید.، و اسلامیان، سید سعید. (1399). تالاب مصنوعی، چالش- راهکار- طراحی. نشریه علمی علوم و مهندسی آب و فاضلاب، 5(3)، 21-5. https:// doi.org/10.22112/JWWSE.2020.214377.1180  
شیخان، امیر.، شایان‌ن‍ژاد، محمد.، و عرب نصرآبادی، وحید. (1398). بررسی کارایی تالاب مصنوعی زیرسطحی هیبریدی در تصفیه تکمیلی پساب شهری. علوم آب و خاک. 23(2)، 126-115.‎//10.292.52/Jstnar.23.2.115 https:// doi.org
Allen, R. G., Pereira, L. S., Raes D., & Smith, M. (1998). Crop evapotranspiration-Guidelines for computing crop water requirements-FAO Irrigation and drainage paper 56. FAO, Rome 300, D05109. https://doi.org/10.1007/978-981-10-3084-0_13
Anand, S., Bharti, S. K., Dviwedi, N., Barman, S. C., & Kumar, N. (2017). Macrophytes for the reclamation of degraded waterbodies with potential for bioenergy production. Phytoremediation Potential of Bioenergy Plants, 333-351. https://ouci.dntb.gov.ua/en/works/4M8qjLb7/
Bakhshoodeh, R., Alavi, N., Oldham, C., Santos, R. M., Babaei, A. A., Vymazal, J., & Paydary, P. (2020). Constructed wetlands for landfill leachate treatment: A review. Ecological Engineering, 146, 105725. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2020.105725
Bannayan, M., & Hoogenboom, G. (2009). Using pattern recognition for estimating cultivar coefficients of a crop simulation model. Field Crop Research, 11(3), 299-302.                      https://doi.org/10.1016/j.fcr.2009.01.007
Chen, Y. Y., Sun, P., Chen, G. L., & Wang, N. N. (2015). A contrastive study on salt-alkaline resistance and removal efficiency of nitrogen and phosphorus by Phragmites australis and Typha angustifolia in coastal estuary area. Huan Jing ke Xue= Huanjing Kexue, 36(4), 1489-1496. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/26164931/
Alexandratos, N.; & Bruinsma, J. (2012). World agriculture towards 2030/2050: the 2012 revision. Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO). https://doi.org/10.22004/ag.econ.288998
Jamieson, P. D., Porter, J. R., & Wilsin, D. R. (1991). A test of the computer simulation model ARCWHEAT1 on wheat crop grown in New Zealand. Field Crop Research, 27, 337-350. https://doi.org/10.1016/0378.4290(91)90040-3
Gholipour, A., Zahabi, H., & Stefanakis, A. I. (2020). A novel pilot and full-scale constructed wetland study for glass industry wastewater treatment. Chemosphere, 247, 125966. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2020.125966
Hosseini, H.R., & Ghodsian M, (2011). Wetlands their benefits and disadvantages, Proceedings of the2th PublicConference of Application Usage Researches, May 18-19, Zanjan, Iran.
Hussein, A., & Scholz, M. (2017). Dye wastewater treatment by vertical-flow constructed wetlands. Ecological Engineering, 101, 28-38. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2017.01.016
Kadlec, R.H., & Wallace, S.D. (2009). Treatment Wetlands, 2nd ed. CRC Press, Boca Raton, FL. https://sswm.info/sites/default/files/reference_attachments/KADLEC%20WALLACE%202009%20Treatment%20Wetlands%202nd%20Edition_0.pdf
Lippmann, T. J., Heijmans, M. M., Van der velde, Y., Dolman, H., Hendriks, D. M., & Van huissteden, K. (2023). Peatland-VU-NUCOM (PVN 1.0): Using dynamic PFTs to model peatland vegetation, CH4 and CO2 emissions. Geoscientific Model Development Discussions, 16(22): 6773-6804. https://doi.org/10.5194/gmd-16-6773-2023
Martin, E. J., & Martin, E. T. (1991). Technologies for small water and wastewater systems. 1th ed, John Wiley and Sons, Inc, New York. 366.                      https://books.google.com/books/about/Technologies_for_Small_Water_and_Wastewa.html?id=PVR4QgAACAAJ
Okhravi, S., & Eslamian, S. (2020). Constructed Wetland, Challenge-Approach-Design. Journal of Water and Wastewater Science and Engineering, 5(3), 5-21. http://doi.org/10.22112/jwwse.2020.214377.1180. [In Persian]
Pálfy, T.G. & Langergraber, G. (2014). The verification of the Constructed Wetland Model No. 1 implementation in HYDRUS using column experiment data. Ecological Engineering, 68, 105-115. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2014.03.016
Pálfy, T. G., Molle, P., Langergraber, G., Troesch S., Gourdon R., & Meyer, D. (2016). Simulation of constructed wetlands treating combined sewer overflow using HYDRUS/CW2D. Ecological Engineering, 87: 340-347. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2015.11.048
Rahi, M.A., Faisal, A. A.H., Naji, L.A., Almuktar, S. A., Abed, S.N., & Scholz, M. (2020). Biochemical performance modelling of non-vegetated and vegetated vertical subsurface-flow constructed wetlands treating municipal wastewater in hot and dry climate. Journal of Water Process Engineering, 33, 101003. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2019.101003
Raude, J. M., Mutua, B. M., & Kamau, D. N. (2018). Simulation of the hydraulics and treatment performance of horizontal subsurface flow constructed wetland treating greywater. International of Ecotoxicology and Eco biology, 3 (2), 40-55. https://doi.org/10.11648/j.ijee.20180302.12
Rizzo, A. G., Langergraber, A., Galvão, F. Boano, R., & Revelli, L. (2014). Modelling the response of laboratory horizontal flow constructed wetlands to unsteady organic loads with HYDRUS-CWM1. Ecology Engineering, 68, 209-213. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2014.03.073
Saeed, T., & Sun, G. (2012). A review on nitrogen and organics removal mechanisms in subsurface flow constructed wetlands: dependency on environmental parameters, operating conditions and supporting media. Journal of environmental management, 112, 429-448.                         https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2012.08.011
Seidel, K., (1955). Die Flechtbinse: Ökologie, Morphologie und Entwicklung, ihre Stellung bei den Völkern und ihre wirtschaftliche Bedeutung. Schweizerbart, Stuttgart, Germany. https://doi.org/10.1002/JPLN.19560720110
Seidel, K. (1961). Zur Problematik der Keim-und Pflanzgewässer. Internationale Vereinigung für theoretische und angewandte Limnologie: Verhandlungen, 14 (2), 1035-1043. https://doi.org/10.1080/03680770.1959.11899410
Seidel, K. (1964). Abbau von bacterium coli durch höhere wasserpflanzen. Naturwissenschaften, 51. https://doi.org/10.1007/BF00637265
Seidel, K. (1966). Reinigung von Gewässern durch höhere Pflanzen. Naturwissenschaften, 53 (12), 289-297. https://doi.org/10.1007/BF00712211
Simunek, J., Sejna, M., & Van Genuchten, M. (1999). The HYDRUS-2D software package for simulating two-dimensional movement of water, heat and multiple solutes in variably saturated media. Version 2.0. International Ground Water Modeling Center, Colorado School. Colorado. https://www.researchgate.net/publication/236901785.
Sheykhan, A., Shayannejad, M., & Arab-Nasrabadi, V. (2019). Performance Review of Hybrid Subsurface Constructed Wetlands in Urban Wastewater Supplementary Treatment. Journal of Water and Soil Science; 23 (2):115-126. http://doi.org/10.29252/jstnar.23.2.115 [In Persian]
Sperling, M. V. (1996). Comparison among the most frequently used systems for wastewater treatment in developing countries. Water Science and Technology, 33(3), 59-72. https://doi.org/10.1016/0273-1223 (96)00301-0
Toscano, A., Langergraber, G., Consoli, S., & Cirelli, G. L. (2009). Modelling pollutant removal in a pilot-scale two-stage subsurface flow constructed wetlands. Ecological Engineering, 35 (2), 281-289. https://doi.org/10.1016/j.ecoleng.2008.07.011
Vymazal, J., & Kropfelova, L. (2008). Wastewater treatment in constructed wetlands with horizontal sub-surface flow. Springer science & business media. https://doi.org/10.1007/978-1-4020-8580-2
Upadhyaya, A. K., Singhc, N. K., Bankotib, N. S., & Rai, U. N. (2017). Designing and construction of simulated constructed wetland for treatment of sewage containing metals. Environmental Technology, 38 (21), 2691-2699. https://doi.org/10.1007/978-1-4020-8580-2
Willmott, C. J. (1982). Some comments on the evaluation of model performance. Bulletin of the American Meteorological Society, 63 (11), 1309-1313. http://doi.org/10.1175/1520-0477